细菌ATP磷酸核糖基转移酶（ATPPRT）的催化与别构调控：结构、动力学机制及抗菌药物靶点

《The FEBS Journal》：Catalysis and allostery in bacterial ATP phosphoribosyltransferases

　　

ATP磷酸核糖基转移酶（ATPPRT）催化L-组氨酸生物合成的第一步反应：ATP与5-磷酸-α-d-核糖 1-焦磷酸（PRPP）缩合生成N¹-(5-磷酸-β-d-核糖基)-ATP（PRATP），并释放无机焦磷酸（PP_i）。L-组氨酸通过别构抑制ATPPRT，从而在合成L-组氨酸的生物（如细菌、古菌和植物）中调控这一高耗能途径。由于人类不编码该酶，而其在多种致病菌（如结核分枝杆菌和鲍曼不动杆菌）中必需，ATPPRT是新型抗生素开发的有前景药物靶点。此外，ATPPRT也是合成生物学中最大化细菌L-组氨酸产量的改造靶点。研究人员简要概述别构概念，并综述细菌ATPPRT（自然界存在长型和短型两种形式）的结构、催化及别构机制。研究人员重点介绍近期关于ATPPRT催化、别构调控、抑制与激活的发现，讨论该领域未解问题及可能的工业与生物医学应用。

引言
该综述从20世纪50年代氨基酸生物合成中的负反馈抑制研究出发，说明别构调控概念的提出及其在基础生物学、药物研发、蛋白质工程和合成生物学中的意义。ATPPRT催化L-组氨酸生物合成首步，既是研究别构结构—动力学基础的模型，也与抗菌药物、植物工程和微生物制造相关。

何谓别构调控？
综述将酶别构定义为：别构效应物（如配体结合、翻译后修饰等）在远离活性位点的别构位点产生扰动，进而改变活性位点的结合或催化功能；突变和翻译后修饰也可视为别构效应。

别构的构象选择模型
该模型认为蛋白质在溶液中以多种热力学可及构象的集合存在，别构效应物优先结合并稳定其中某一既有构象，使构象群体比例发生迁移，而非诱导产生全新的活性位点构象。

别构的诱导契合模型
诱导契合模型强调别构效应物诱导原本不在构象集合中的结构变化。综述以结核分枝杆菌α-异丙基苹果酸合酶（IPMS）为例，说明慢启动、非竞争性别构抑制与柔性环及主链动力学变化相关。

动态别构模型
动态别构指效应物通过改变蛋白质运动的幅度、频率或构象状态间循环速率而产生功能效应，即使平均构象变化不明显。综述以空肠弯曲菌二氢二吡啶甲酸合酶（DHDPS）为例，指出别构抑制剂可使底物通道刚性化，从而妨碍底物进入活性位点。

K型与V型别构
K型别构表现为别构效应物改变酶对正位配体的表观亲和力（K_app），V型别构表现为改变催化速率（k_cat）。综述以丙酮酸激酶和咪唑甘油磷酸合酶（IGPS）分别说明两类现象，并指出该分类仅提供现象学描述，难以揭示分子机制及具体动力学步骤。

别构调控的重要性
别构调控参与信号转导、转录调控、代谢途径调节和人类疾病，并推动别构药物开发；别构药物可能具有更高选择性和特异性，并可拓展既往“不可成药”靶点。

L-组氨酸生物合成
L-组氨酸生物合成途径包括九步酶促反应，首步由ATPPRT催化。该途径与氮代谢和嘌呤从头合成相互联系，在细菌、古菌、植物和低等真核生物中保守。L-组氨酸合成耗能高，细胞通过基因表达调控和酶活性调控控制通量；ATPPRT受L-组氨酸别构抑制与AMP正位抑制的协同调节，是抗菌药物研发的重要靶点。

ATPPRT的结构架构
ATPPRT属于磷酸核糖转移酶（PRT）家族IV型酶，催化依赖Mg²⁺，反应可逆且平衡偏向反应物。长型ATPPRT由HisG_L构成，单体含三个结构域，活性位点位于结构域I与II之间，L-组氨酸结合位点位于ACT结构域III，天然状态为同源六聚体。短型ATPPRT由HisG_S构成，缺失结构域III，单独形成低活性二聚体且对L-组氨酸不敏感；HisZ作为组氨酰-tRNA合成酶（HisRS）的无催化活性旁系同源蛋白，与HisG_S形成异八聚体，提供L-组氨酸结合位点并别构激活催化。长、短型的催化核心保守，活性位点可由相邻亚基残基共同贡献。

ATPPRT的动力学机制
长型ATPPRT多遵循稳态有序Bi-Bi机制，ATP先结合，PRPP随后结合，产物释放有序且PRATP最后释放；PRPP与截短催化核心形成的死端复合物为结合顺序提供了结构解释。短型ATPPRT的动力学机制并不保守：PaATPPRT倾向于PRPP先结合，而AbATPPRT呈快速平衡随机机制，ATP或PRPP均可先结合，但产物释放仍有序。

ATPPRT的化学机制
综述归纳了两类化学机制：分步解离型（S_N1样）机制先失去PP_i并形成核糖氧碳鎓离子中间体，再由碱基抽取质子促进ATP对中间体攻击；协同缔合型（S_N2样）机制中PP_i离去与ATP亲核攻击发生于同一过渡态。动力学同位素效应、密度泛函理论（DFT）及量子力学/分子力学（QM/MM）研究支持不同同源酶可能采用不同机制。通用碱尚未明确，pH—速率关系提示可能存在pKa约7.6的去质子化基团，甚至可能涉及溶剂来源的OH^?。

长型ATPPRT的别构抑制
L-组氨酸结合长型ATPPRT结构域III，六聚体可结合六个L-组氨酸，多数长型酶表现为对PRPP和ATP的非竞争性抑制，MtATPPRT对ATP呈反竞争性抑制。关键残基Asp216、Thr238′和Ala249参与介导抑制，突变可消除抑制甚至将L-组氨酸转为别构激活剂。结构研究提示结构域III闭合及六聚体构象变化与抑制相关，但早期二聚体—六聚体平衡模型受到天然质谱等结果质疑。CjATPPRT研究支持构象选择模型；MtATPPRT中L-组氨酸类似物TIH为V型别构激活剂，且L-组氨酸与TIH可稳定相似T态，提示别构效应可能通过改变构象集合内状态采样速率实现。长型ATPPRT的别构机制仍未定论。

短型ATPPRT的别构激活
HisZ是短型ATPPRT的V型别构激活剂，可使k_cat提高约10至73倍；单周转实验显示AbHisZ可使化学步骤速率提高逾2800倍，并使限速步转为产物释放。PaHisZ可能通过降低催化亚基柔性、优化Arg32与Arg56′等活性位点残基的旋转异构体采样和静电预组织来激活催化；同位素标记实验也支持快速蛋白运动参与产物释放。

短型ATPPRT受L-组氨酸的别构抑制
短型ATPPRT同样受L-组氨酸非竞争性抑制，并表现为V型别构抑制。结合动力学提示L-组氨酸结合涉及两步诱导契合；抑制并非通过阻止HisZ激活或解离HisG_S—HisZ复合物实现。结构研究报道了短型ATPPRT与L-组氨酸结合的不同化学计量和位点，提示不同物种可能存在多个结合位点；PaHisZ中Tyr263与His104氢键及Asp101-Leu117环构象变化被提出与抑制相关，但Tyr263Phe突变未显著降低抑制效力，完整机制仍待阐明。

细菌ATPPRT的潜在应用与展望
ATPPRT研究已用于工业与生物医学。改造CgATPPRT以解除L-组氨酸反馈抑制，可用于食品级L-组氨酸生产；ATPPRT在结核分枝杆菌中必需，并与鲍曼不动杆菌肺部感染持续相关，激活MtATPPRT可降低结核分枝杆菌在感染模型中的适应度。ATPPRT作为V型别构抑制与激活模型，有助于整合结构、动力学和动态研究，指导靶向细菌ATPPRT的新型抗菌药物开发。